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石油化工低温深冷截止阀设计要求

　　在目前的大中型乙烯装置中，裂解气中氢气、甲烷等组分的分离多采用深冷分离；在煤制甲醇净化装置中也主要用到深冷分离技术。为满足这一要求，低温阀门被广泛应用，只有了解低温阀的设计要求和特殊结构，在选用和安装的过程中才不会出现问题。

　　低温阀门，特别是温阀门，其工作温度极低。在设计这类阀门时，除了应遵循一般阀门的设计原则外，还有一些特殊的要求。其中液氢温区用的低温截止阀已达到DN250,液氧温区已达DN200 (以上口径是针对截止阀,球阀口径已达到DN300)。在航天领域作为流体输送及切断用途而广泛使用的阀门主要有截止阀和球阀。以下针对高真空多层低温截止阀设计时应考虑的问题进行讨论与分析。低温截止阀主要是指介质使用温度在-196~-150度的低温液态介质系统中的截止阀，适用于低温液体贮运设备的管理系统，具有开关灵活、密封可靠的特点，也可用于其他低温和深冷介质的管理系统。
低温截止阀主要用于液氧（液氮、液氩）等低温液体贮运设备的管理系统，具有开关灵活、密封可靠、耐压等特点, 超低温长轴截止阀适用液氧、液氮、液氩、液化天然气、液态二氧化碳、乙烯、丙烯、丙烷等介质。

石油化工低温深冷截止阀设计要求特点：
1、低温截止阀阀杆和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金钢和，经适当的热处理，以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。
2、阀杆表面必须镀硬铬（镀层厚0.04-0.06mm），或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度，防止阀杆与填料相互擦伤，致使填料处泄漏。
3、为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫化钼。
4、低温截止阀采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，另一方面在选择填料时要考虑填料的低温特性，一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。

　　1石油化工低温深冷截止阀设计要求的设计要求

　　低温阀是一种在温度等于或低于120 K的介质中工作的阀门。低温阀除了应满足一般阀门所具备性能之外,更主要的是在低温状态下保证密封面的封性能,动作灵活,漏热低等特点,而其关键技术对漏热的要求。因此根据绝热方式的不同,其结构要有堆积绝热式、高真空绝热、真空粉末绝热和高空多层绝热等多种形式。根据使用条件，低温阀的设计有下列要求：

　　1.1 阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。

　　1.2 低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。

　　1.3 直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。

　　1.4 在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施，以防止摩擦件擦伤。

　　2 石油化工低温深冷截止阀设计要求的材料选用

　　2.1 低温阀主体材料

　　2.1.1 主体材料选用应考虑的因素

　　从金相考虑，金属材料中除了具有面心立方晶格的奥氏体钢、铜、铝等以外，一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性，从而降低阀门的强度和使用寿命。选择主体材料时首先要选用适合于低温下工作的材料。

　　铝在低温下不会出现低温脆性，但因铝及铝合金的硬度不高，铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差，所以在低温阀门中的使用有一定的限制，仅在低压和小口径阀中选用。除此以外，低温阀门的材料选用还应考虑以下一些因素：

　　1）阀门的*低使用温度；

　　2）金属材料在低温下保持工作条件所需要的力学性能，特别是冲击韧性、相对延伸率及组织稳定性；

　　3）在低温及无油润滑的情况下，具有良好的耐磨性；

　　4）具有良好的耐蚀性；

　　5）采用焊接连接时还需考虑材料的焊接性能。

　　2.1.2 阀体、阀盖、阀座、阀瓣（闸板）材料的选用

　　这些主体零部件材料的选用原则大致是：温度高于-100℃时选用铁素体钢；温度低于-100℃时选用奥氏体钢；低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。设计时根据*低使用温度选择适当的材料。

　　2.1.3 阀杆及紧固件的材料选用

　　温度高于-100℃时，阀杆和螺栓材料采用Ni、，Cr-Mo等合金钢，经适当的热处理，以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。温度低于-100℃时，采用奥氏体不锈耐酸钢制造。但18-8耐酸钢硬度低，会造成阀杆与填料相互擦伤，致使填料处泄漏。所以，阀杆表面必须镀硬铬（镀层厚0.04-0.06mm），或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度。

　　为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫化钼。

　　2.2 石油化工低温深冷截止阀设计要求低温阀垫片、填料材料的选用

　　在低温阀门设计中，一方面由结构设计来保证使填料处于接近环境温度下工作，例如，采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，另一方面在选择填料时要考虑填料的低温特性。低温阀中一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近发展起来的一种优良的密封材料。低温阀门也可采用无填料的波纹管密封结构，通常情况下使用多层波纹管。低温阀门用垫片必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性。由于垫片材料在低温下会硬化和降低塑性，所以应选择性能变化小的垫片材料。使用温度为-200℃，低温*高使用压力3MPa时，采用长纤维白石棉的石棉橡胶板。使用温度为-200℃，*高使用压力5MPa时，采用耐酸钢带夹石棉缠制而成的缠绕式垫片，或聚四氟乙烯和耐酸钢带绕制而成的缠绕式垫片。柔性石墨与耐酸钢绕制而成的缠绕式垫片用于-200℃的低温阀门上比较理想。

　　3 石油化工低温深冷截止阀设计要求低温阀门的特殊结构

　　低温阀门主要有闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、止回阀等型式，其主要结构与一般阀门大致相同。3　化工低温截止阀技术要求的材料
由于低温阀工作介质的低温性质,使低温阀门对材料有许多特殊要求。
3. 1 材料耐低温性能
低温阀不仅要求在低温下保证正常工作,同时要保证其常温的工作机械性能,也要满足低温下所需的机械性能,尤其是冲击功和相对延伸率的要求。针对以上要求,为了防止材料在低温下的低应力脆断,一般多采用奥氏体组织的材料,如:奥氏体不锈钢铸件、铜、铜合金、铝及铝合金等。这是因为经过对低应力脆性断裂特点研究,对金属断裂机理进行分析发现,金属的低温韧性即缺口处的金属微观塑性变形能力是决定设备抵抗应力脆断破坏的关键。实验表明,具有面心立方结构的金属,如铜、铝、镍和奥氏体类钢基本上没有这种温度效应,即没有低应力脆断。这是因为当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化,而且不易产生形变孪晶,位错容易运动,局部应力易于松弛,裂纹不易传播,一般没有脆性转变温度。
3. 2　与低温介质的相容性
材料与低温介质的相容性就是要求材料本身不能与低温介质发生任何物理化学变化,不能引起腐蚀及爆炸。如在氧介质中工作的材料,不允许使用玻璃钢作为绝热材料,也不允许使用活性碳作为吸气剂,因为它们均能与氧发生燃烧爆炸。
3. 3　具有相对低的导热性,即热导率相对低
低温截止阀输送的介质温度低,介质成本高,而且介质的突然汽化也会给设备的安全运行带来极大危害。所以低温截止阀对漏热的要求较高。为了降低传热,在合理选择绝热的前提下,应尽量采用热导率相对低的材料,以降低低温介质的蒸发量。
3. 4　在低温无油润滑的情况下,具有必需的硬度和耐磨性
阀门依靠阀杆的运动开启和关闭,阀杆传递的作用力又使密封面达到一定的密封力。这就要求制作截止阀零部件的材料必须有一定的硬度和耐摩性。铝和铝合金在低温截止阀中的使用有一定的限制,主要是因为硬度不够,会导致密封表面比钢和黄铜失效得更快。 目前使用较多的金属材料有:不锈钢、铜合金、铝合金、镍合金等;非金属材料有:玻璃钢、聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺、石棉绳、橡胶等,其中玻璃钢大多作为热桥零件,而聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺多作为密封面材料,石棉绳、橡胶、填料等多作为阀杆密封材料。

结构比闸阀简单，制造与维修都较方便。
密封面不易磨损及擦伤，密封性好，启闭时阀瓣与阀体密封面之间无相对滑动，因而磨损与擦伤均不严重，密封性能好，使用寿命长。
启闭时，阀瓣行程小，因而截止阀高度比闸阀小，但结构长度比闸阀长。
启闭力矩大、启闭较费力，启闭时间较长。
流体阻力大，因阀体内介质通道较曲折，流体阻力大，动力消耗大。
介质流动方向 公称压力PN≤16MPa时，一般采用顺流，介质从阀瓣下方向上流；公称压力PN≥20MPa时，一般采用逆流，介质从阀瓣上方向下流．以增加密封件能。使用时，截止阀介质只能单方向流动，不能改变流动方向。

石油化工低温深冷截止阀设计要求

　　3.1 阀体

　　阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩。而且阀座部位的结构不会因温度变化而产生变形。

　　3.2 阀盖

　　采用长颈阀盖结构。其目的在于能起保护填料函的功能。因为填料函的密封性是低温阀的关键之一。该处如有泄漏。将降低保冷效果，导致液化气体气化。这是因为在低温状态下随着温度的降低，填料弹性逐渐消失，防漏性能随之下降，由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰，影响阀杆正常操作，同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤，引起严重泄漏。所以低温阀门必须采用长颈阀盖结构形式。此外，长颈结构还便于缠绕保冷材料，防止冷能损失。

　　3.3 阀瓣

　　闸阀采用挠性闸板或开式闸板；截止阀的平阀座及针形阀，采用塞子形的阀瓣。这些结构形式不论温度如何变化，均能保持可靠的密封。

　　3.4 阀杆

　　阀杆需镀铬、镀镍磷或经氮化处理，以提高阀杆表面硬度，防止阀杆与填料、填料压套（压盖）相互咬死，损坏密封填料，造成填料函泄漏。

　　3.5 垫片

　　垫片选用要考虑垫片材料的低温性能，如压缩回弹性、预紧力、紧固压力分布以及应力松弛特性等。

　　3.6 填料函及填料

　　填料函不能与低温段直接接触，而设在长颈阀盖顶端，使填料函处于离低温较远的位置，在0℃以上的温度环境下工作。这样，提高了填料函的密封效果。在泄漏时，或当低温流体直接接触填料造成密封效果下降时，可以从填料函中间加入润滑脂形成油封层，降低填料函的压差，作为辅助密封措施。填料函多采用带有中间金属隔离环的二段填料结构。但也有的采用一般阀门填料函结构和阀杆能自紧的二重填料函结构等其他型式。

　　3.7 上密封

　　低温阀都设上密封座结构，上密封面要堆焊钴铬钨硬质合金，精加工后研磨。

　　3.8 阀座、阀瓣（闸板）密封面

　　低温阀的关闭件采用钴铬钨硬质合金堆焊结构。软密封结构由于聚四氟乙烯膨胀系数大，低温变脆，所以仅适用于温度高于-70℃的低温阀，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低温阀。

　　3.9 中法兰螺栓

　　3.9.1 螺栓应有足够的强度，这是因为螺栓在反复载荷下工作，常会因疲劳而产生断裂。

　　3.9.2 因螺栓在螺纹根部易引起应力集中，所以*好采用全螺纹结构的螺栓。

　　3.10 预防异常升压的措施

　　阀门关闭后，阀腔内会残留一些液体。随着时间的增加，这些残留在阀腔里的液体会渐渐吸收大气中的热量，回升到常温并重新气化。气化后，其体积激剧膨胀，约增加600倍之多，因而产生的压力，并作用于阀体内部。这种情况称为异常升压，这是低温阀门的现象。发生异常升压现象时，会使闸板紧压在阀座上，导致闸板不能开启。这时，高压会将中法兰垫片冲出或冲坏填料；也可能引起阀体、阀盖变形，使阀座密封性显著下降；甚至阀盖破裂，造成严重事故。为防止异常升压现象发生，一般低温阀门在结构上采用以下措施：

　　3.10.1 设置泄压孔，又称压力平衡孔或排气孔，即在弹性闸板或双闸板进口侧钻一小孔，作为阀体内腔和进口侧的压力平衡孔。当阀腔压力升高时，气体可以通过小孔排出。这种方法比较简单，目前已被广泛采用。采用泄压孔防止异常升压，在阀体设计时，应有指示流体流向的箭头；安装时，要注意泄压孔的位置，保证泄压孔通向介质进口的一侧，泄压孔开设在闸板上时，更要注意。泄压孔开设的位置视阀门结构而定，有的在阀体上；有的在闸板上。

　　3.10.2 在阀门上设置引出管或安装安全阀以排出异常高压。一般是在阀盖上装一只安全阀。当压力升高到某一定值时，安全阀开启，排放出异常高压，保证阀体安全。也可在阀体下部安装排气阀，将阀体中腔内的残液排尽，以预防异常升压的发生。

　　4 石油化工低温深冷截止阀设计要求的安装要求

　　了解了低温阀的设计要求及特殊结构，在具体的安装过程中要遵循如下原则：

　　4.1 当流体是液体时，低温阀的阀杆应向上安装，防止阀门关闭后，阀腔内会残留一些液体，液体气化造成异常升压，闸板无法开启。而且低温阀的阀杆较长，安装时应引起重视。

　　4.2 有泄压孔的低温闸阀，应在阀体上标记泄压孔方向，并注意标记不应被保冷层覆盖。见图1。

　　5 石油化工低温深冷截止阀设计要求结论

　　随着石油化工装置越来越大型化，如何降低能耗，节省投资成为一个主要问题。低温阀门在整个装置中占有相当比例且费用较高，那么更好的选择低温阀门，正确的安装低温阀门至关重要。